JP4789524B2 - 固体電解質形燃料電池組立体 - Google Patents

Description

本発明は、放熱を抑えることができると共に、高転化率が得られる改質器構造をもち高効率発電を可能とする固体電解質形燃料電池組立体に関するものである。

此種従来の固体電解質形燃料電池は、複数の固体電解質形燃料電池セルから成る燃料電池セルスタックを収納容器内に収容して構成され、約１０００℃の温度で運転される。

又、発電を行う際に燃料として用いる水素の供給方法として、天然ガス等の炭化水素と水蒸気を反応させて水素を生成する水蒸気改質法が用いられるが、この反応も５００〜９００℃で行われる。

そのため、固体電解質形燃料電池の燃料改質器を燃料電池セルスタックを収容している収納容器内に配置し、発電に際して発生する熱を水蒸気改質反応に利用し、熱効率を高めることが行われている(例えば、特許文献1参照)。
特開２００５−１２３０１４号公報

上記した燃料改質器を収納容器内に配置する方式では、発電室上部の燃料供給室に改質触媒を充填し、発電室からの輻射熱と排気ガスの熱伝達を加熱源とするため、熱源との距離が遠くなる事によって放熱が多くなり改質器温度を高温とすることが困難であるという問題がある。このために高転化率の改質ガスを得ることが困難である。

又、燃料電池出力を少なくした低負荷運転時には発電反応による発熱量が減少するため発電室温度が低下し、水蒸気改質反応に必要な熱量が不足する虞がある。

更に、近年では研究開発が進み、発電温度が従来の１０００℃から６００〜８００℃まで低下してきているため、セルからの輻射熱、排ガス温度も低下し、従来の改質器構造では燃料の高転化率を得ることが難しくなってきている。

以上の現状に鑑み、本発明は、放熱を抑えることができると共に、高転化率が得られる改質器構造をもち高効率発電を可能とする固体電解質形燃料電池組立体を提供することを目的とする。

上記の課題を解決すべく、本発明は以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、ハウジング内に、燃料ガス通路を有する複数の固体電解質形燃料電池セルを電気的に接続したセルスタックと、該セルスタックの各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく該燃料電池セルを装着した燃料ガスケースと、該燃料ガスケースに付設されたガス導入手段とを有し、前記燃料ガスケース内の燃料ガスが前記燃料電池セルの燃料ガス通路に供給される固体電解質形燃料電池組立体に於いて、前記燃料ガスケース内に被改質ガスを燃料ガスに改質する改質触媒を配設してなるとともに、前記燃料ガスケースは、仕切板によって前記セルスタック側に形成される一室と他室とから成る二室に仕切られ、且つ、両室が前記仕切板に設けられた連通孔により一部連通するように形成され、前記セルスタック側の前記一室が改質ガス流路となり、前記他室が前記改質触媒の収納部となり、前記他室の一端側に前記被改質ガスを供給する前記ガス導入手段が設けられ、前記他室の他端側における前記仕切板に前記連通孔が設けられていることを特徴とする固体電解質形燃料電池組立体を提供するものである。

請求項２に係る発明は、上記燃料電池セルの上記燃料ガスケースへの装着部分がガラスによってガスシールされていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池組立体を提供するものである。

請求項３に係る発明は、上記燃料ガスケースは金属製燃料ガスケースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池組立体を提供するものである。

請求項４に係る発明は、上記ハウジング内に予備改質を行なうための予備改質触媒を収納する予備改質触媒収納ケースが配設されており、該予備改質触媒収納ケース内を通過した燃料ガスが上記燃料ガスケースに供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の固体電解質形燃料電池組立体を提供するものである。

請求項５に係る発明は、上記予備改質触媒収納ケースが上記燃料電池セル先端近傍のセルオフガス燃焼排気に晒される位置に配置されていることを特徴とする請求項４記載の固体電解質形燃料電池組立体を提供するものである。

請求項６に係る発明は、上記予備改質触媒収納ケースが上記セルスタックの側部近傍に配置されていることを特徴とする請求項４又は５記載の固体電解質形燃料電池組立体を提供するものである。

請求項７に係る発明は、上記予備改質触媒収納ケースは、上記セルスタックに沿って設けられており、その一端にはガス導入手段が接続され、且つ、該予備改質触媒収納ケースの他端部が、１又は複数の上記燃料ガスケースと一体化され連通していることを特徴とする請求項４乃至６のうちいずれかに記載の固体電解質形燃料電池組立体を提供するものである。

本発明の請求項１記載の発明によれば、ハウジング内に、複数の固体電解質形燃料電池セルを電気的に接続したセルスタックと、該セルスタックの各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく該燃料電池セルを装着した燃料ガスケースと、該燃料ガスケースに付設されたガス導入手段とを有する固体電解質形燃料電池組立体に於いて、前記燃料ガスケース内に改質触媒を配設してなる固体電解質形燃料電池組立体を提供するので、燃料ガスケース中に改質触媒を配設することでモジュール内に改質部の占有するスペースが不要となり、モジュールを小型化できるため、モジュール表面からの放熱量を減少することができ、結果として熱自立が容易となる。又、運転時に最大の熱源となる燃料電池セルのすぐ近傍に改質触媒が設置されている為、改質に必要となる熱量を、非常に少ないロスで利用する事ができる。従って、放熱を抑えることができると共に、高転化率を得られる改質器構造をもち高効率発電が可能となる固体電解質形燃料電池組立体を提供できる。
又、前記燃料ガスケースは、仕切板によって前記セルスタック側に形成される一室と他室とから成る二室に仕切られ、且つ、両室が前記仕切板に設けられた連通孔により一部連通するように形成され、前記セルスタック側の前記一室が改質ガス流路となり、前記他室が前記改質触媒の収納部となり、前記他室の一端側に前記被改質ガスを供給する前記ガス導入手段が設けられ、前記他室の他端側における前記仕切板に前記連通孔が設けられているので、燃料ガスケース内は触媒層と改質ガス流路層の二層構造を持ち、両層は仕切板によって仕切られていることにより、各セルへの供給ガス組成を均一化することができると共に、仕切り板を介した触媒と改質ガスの熱交換により触媒層の過剰な温度分布を緩和できる。
即ち、仕切り板によって、全ガスを同一条件にそろえた上でセルへ供給することができ、又、仕切り板を介して改質ガスと触媒の熱交換を行う事で、特に触媒入口部でのガスの熱伝達と吸熱反応による温度低下を防ぎ、セルスタック内の温度分布を緩和できる。

請求項２記載の発明によれば、上記燃料電池セルの上記燃料ガスケースへの装着部分がガラスによってガスシールされているので、請求項１に記載の発明の効果に加え、高温時に於けるガスシールが確実に行なえると共に、ガラスシール部近傍で改質による吸熱反応をさせる事で燃料電池セルの常用使用温度を低下させて、過昇温によるガラス軟化、ガスリークを防止できる。

請求項３記載の発明によれば、上記燃料ガスケースは金属製燃料ガスケースであるので、請求項１又は２に記載の発明の効果に加え、運転時は外部から熱を受けることで反応が進む水蒸気改質法を用いる為、改質部は温度低下が発生し、これにより、従来、燃料ガス室としてのみ機能していた金属燃料ガスケースの温度を従来よりも低下させることができるため、金属部材外表面で進行する酸化による劣化を抑制し、金属製燃料ガスケースの寿命を延長する事ができる。

請求項４記載の発明によれば、上記ハウジング内に予備改質を行なうための予備改質触媒を収納する予備改質触媒収納ケースが配設されており、該予備改質触媒収納ケース内を通過した燃料ガスが上記燃料ガスケースに供給されるように構成されているので、請求項１乃至３のうちいずれかに記載の発明の効果に加え、プレリフォーマーとなる予備改質触媒を収納する予備改質触媒収納ケースを設置し、炭素数の多い炭化水素を安定性の高いメタンへ改質することで、予備改質触媒収納ケースから高温の燃料ガス室内の改質部へメタンを供給することができ、炭素数の多い炭化水素から発生しやすい熱分解性炭素析出を防止することができる。

又、プレリフォームを行なうために、ある程度の温度を有する位置を燃料ガスもしくは改質ガスが通過するため、ガスが予熱されて、燃料ガス室内の改質部の温度を更に上昇させることが可能となり、高転化率の改質ガスをセルスタックへ供給できると共に、予備改質触媒収納ケースの予備改質によってセル自体の温度低下を軽減できるため、更なる高効率発電が可能となる。

更に、中心部温度過剰による熱暴走を予備改質触媒収納ケースの改質の吸熱、及び、水気化熱にて防止することができる。

請求項５記載の発明によれば、上記予備改質触媒収納ケースが上記燃料電池セル先端近傍のセルオフガス燃焼排気に晒される位置に配置されているので、請求項４記載の発明の効果に加え、予備改質触媒収納ケースは従来の燃焼部近傍に設置した上部改質器を兼用できると共に、予備改質触媒収納ケースがセルオフガス燃焼排気に晒されて予備改質触媒収納ケース内にて予備改質が行なわれ、且つ、改質ガスが燃料ガスケースまでのガス流路でセルからの輻射熱を受けて更に予熱されて燃料ガスケース内の改質部に供給され改質反応を行う為、より高転化率の改質ガスをセルへ供給することができる。

これにより、内部改質によるセル自体の温度低下を軽減できるため、従来の上部改質器だけの場合に比べてより高効率発電を行う事ができる。

又、部分酸化による起動を行う場合、炭化水素と所定比の空気を混合した混合ガスを予備改質触媒収納ケース、燃料ガスケース、セルスタックを介した後燃焼させることでモジュールの昇温を開始するが、燃焼部に予備改質触媒収納ケースが設置されているため、燃料ガスケースの改質部より先に予備改質触媒収納ケースが加熱され、部分酸化反応の反応開始点が予備改質触媒収納ケース部になり、燃料ガスケースに於いて部分酸化反応が生じないので、セルスタック、ガラスシール部の劣化を低減できる。

請求項６記載の発明によれば、上記予備改質触媒収納ケースが上記セルスタックの側部近傍に配置されているので、請求項４又は５記載の発明の効果に加え、予備改質触媒収納ケース内の予備改質触媒はセルスタック側部近傍に於いて輻射熱を受け、予備改質を行うことができると共に、予備改質触媒収納ケースから排出される改質ガスが燃料ガスケースまでのガス流路でセルからの輻射熱を受け更に予熱されて燃料ガスケースの改質部に供給され改質反応が行われる為、より高転化率の改質ガスをセルへ供給することができる。

これにより、内部改質によるセル自体の温度低下を軽減できるため、上部改質器だけの場合に比べてより高効率発電を行う事ができる。

又、部分酸化による起動を行う場合、炭化水素と所定比の空気を混合した混合ガスを予備改質触媒収納ケース、燃料ガスケース、セルスタックを介した後燃焼させることでモジュールの昇温を開始するが、セルスタック側部近傍に予備改質触媒収納ケースが設置されているため、燃料ガスケースの改質部より先に予備改質触媒収納ケースが加熱され、部分酸化反応の反応開始点が予備改質触媒収納ケース部になり、燃料ガスケースに於いて部分酸化反応が生じないので、セルスタック、ガラスシール部の劣化を低減できる。

請求項７記載の発明によれば、上記予備改質触媒収納ケースは、上記セルスタックに沿って設けられており、その一端にはガス導入手段が接続され、且つ、該予備改質触媒収納ケースの他端部が、１又は複数の上記燃料ガスケースと一体化され連通しているので、請求項４乃至６のうちいずれかに記載の発明の効果に加え、発電中最も高温となるセル近傍に予備改質触媒収納ケースを設置することで、高転化率の改質ガスを得ることができるため、高効率発電が可能となる。

又、予備改質触媒収納ケースを燃料ガスケースと一体化し、連通させることにより、配管の取り回しが無い簡便な構造とし製造コストを安くすることができる。

更に又、ガス導入手段が上方となるように予備改質触媒収納ケースを設置すれば、ガス供給系を上方から下方へのダウンフローとすることで、水供給時の気化不良を防止し炭素析出の虞が無い改質器構造とすることができる。

そして、前記予備改質触媒収納ケースは、上方から触媒を充填する構造とすれば、触媒が重力の作用を受けて円滑に充填され、触媒充填不良を未然に防ぐことができる。

又、前記予備改質触媒収納ケースは、縦置き型改質器として触媒充填をセルスタック製造工程の最後に行うことができるため、セルスタックのガラスシール工程などの高温酸化雰囲気に触媒を晒すことが無く、触媒寿命を長くすることができる。

更に又、モジュールの系外へ供給口を延出させることにより、触媒交換することも可能になる。

そして、部分酸化による起動時も燃焼部に近い触媒入口近傍から反応が開始されるため、触媒全体が高温の発熱反応に晒されることがなくなり触媒寿命を延長できる。

以下、実施例を示した図面を参照しつつ本発明の実施の形態を説明する。
図１及び図２に於いて、１は、本発明の固体電解質形燃料電池組立体を示し、固体電解質形燃料電池組立体１は、略直方体形状のハウジング２を具備し、このハウジング２の６個の壁面の外面には適宜の断熱材から形成された断熱壁（遮熱部材）３〜８、即ち、上断熱壁３、下断熱壁４、右側断熱壁５、左側断熱壁６、前断熱壁７及び後断熱壁８が配設されている。そして、ハウジング２内に発電・燃焼室９が規定されている。

前記ハウジング２内の上端部には空気室（ガス室）１０が配設されている。空気室１０は上下方向寸法が比較的小さい直方体形状のケース１１内に規定されている。

空気室１０には、発電・燃焼室９に向かって空気（酸素含有ガス）を送り込むための空気導入管（ガス供給手段）１２，１２…の上端が連通している。

空気導入管１２，１２…は、セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄ間に配置されており、セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄの下端部近傍に於いて開口し、この開口部から空気が噴出する構造となっている。

空気室１０には、低温ガス供給管１４が設けられており、この低温ガス供給管１４は、上断熱壁３を貫通し、外部に延設されている。

この低温ガス供給管１４は、空気室１０内に供給されるガスと同一種、即ち、低温の空気を空気室１０内に供給するものであり、低温ガス供給管１４により供給される空気は、予熱された空気の温度よりも低温である必要がある。好適には、室温程度が望ましい。

低温ガス供給管１４は、発電ユニット１５ａ，１５ｂ，１５ｃ及び１５ｄから成る発電ユニット集合体２１の中央部を冷却するように空気室１０の上板に接続され、空気室１０内に開口している。

前記ハウジング２の両側部、即ち、右側断熱壁５の内側及び左側断熱壁６の内側には、夫々、平板形状の熱交換器２２，２２が配設されている。熱交換器２２，２２の各々は実質上鉛直に延在する中空平板状のケース２３から構成されている。

かかるケース２３内にはその横方向中間に位置する仕切板２４が配設されており、ケース２３内は内側に位置する排出路２５と外側に位置する流入路２６とに区画されている。排出路２５内には流路をジグザクに形成すべく上下方向に間隔を於いて３枚の仕切壁２７〜２９が配置されている。流入路２６も同様にジグザグの流路が形成されている。

前記ケース２３の内側壁の上端部には排出開口３０が形成されており、排出路２５は排出開口３０を介して発電・燃焼室９と連通せしめられている。

又、図示の実施形態に於いては、熱交換器２２の各々の発電・燃焼室９側、即ち、発電ユニット集合体２１側、及び、発電ユニット集合体２１の上下には、蓄熱材から成る蓄熱壁（遮熱部材）３１〜３６が配置されている。

即ち、右側蓄熱壁３１、左側蓄熱壁３２、前蓄熱壁３３及び後蓄熱壁３４、下蓄熱壁３５、上蓄熱壁３６が、発電ユニット集合体２１を取り囲むように配設されている。

かかる右側蓄熱壁３１、左側蓄熱壁３２の上部には、排出開口３０の下縁と実質上同高に位置して開口する開口部４１が形成されており、排出開口３０は開口部４１を通して発電・燃焼室９に連通せしめられている。

前記ケース２３の上壁における外側部には流入開口４２が形成されており、流入路２６はかかる流入開口４２を介して空気室１０に連通せしめられている。

熱交換器２２，２２、流入開口４２，４２は、ガス供給流路を構成している。流入路２６の各々の後方には上下方向に細長く延びる二重筒体４３（図１にその上端部のみを図示している）が配設されており、かかる二重筒体４３は外側筒部材４４と内側筒部材４５とから構成されている。排出路２５の下端部は外側筒部材４４と内側筒部材４５との間に規定されている排出路（図示せず）の下端部に接続されており、流入路２６の下端部は内側筒部材４５内に規定されている流入路（図示せず）に接続されている。

上述した発電・燃焼室９の下部には４個の発電ユニット１５ａ，１５ｂ，１５ｃ及び１５ｄが配置されている。発電ユニット１５ａ，１５ｂ，１５ｃ及び１５ｄは、夫々、前述した空気導入管１２，１２…間に位置せしめられている。

発電ユニット１５ａ，１５ｂ，１５ｃ及び１５ｄは、図３及び図４に示す如く、前後方向（図に於いて左右方向）に細長く延びる直方体形状のマニホールドとなる合金製を含む金属製の燃料ガスケース４７ａ，４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄを具備している。

そして、図５に示す如く、前記燃料ガスケース４７ａによって規定される燃料ガス室４８の内部は、仕切板４９によって前記セルスタック１３ａ側に形成される一室と他室とから成る二室（図５に於いて上室と下室）に仕切られ、セルスタック１３ａ側の一室が改質ガス流路５０となり、他室が改質触媒５１を収納する改質触媒収納部５２となるように構成され、改質触媒収納部５２内に改質触媒５１が配設されている。

そして、改質ガス流路５０と、改質触媒収納部５２とは、連通孔５３を介して連通しており、連通孔５３には耐熱性通気部材５４が配設される。又、改質触媒収納部５２のガス供給口５５にも耐熱性通気部材５４が配設される。

又、図３に示す他の燃料ガスケース４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄも同様に構成される。更に、燃料ガスケース４７ａ，４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄの上面上にはセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄを構成する上下方向に細長く延びる直立の燃料電池セル６２，６２…が図５に示すガラス６１によってガスシールされて装着されている。そして、燃料電池セル６２，６２…が燃料ガスケース４７ａ，４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄの上面上の長手方向に夫々複数個縦列配置され、且つ、電気的に接続されてセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄが構成されている。

燃料電池セル６２の各々は、図６に図示する如く、電極支持基板６３、内側電極層である燃料極層６４、固体電解質層６５、外側電極層である酸素極層６６、及びインターコネクタ６７から構成されている。

電極支持基板６３は上下方向に細長く延びる柱状の板状片であり、その断面形状は例えば略長円形状に形成されている。電極支持基板６３にはこれを鉛直方向に貫通する複数個（図示の場合は６個）の燃料ガス通路６８，６８…が形成されている。電極支持基板６３の各々は図５に示す燃料ガスケース４７ａ（又は、４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄ）の上壁上に、前述したように前記ガラス６１によってガスシールされ、更に、例えば耐熱性に優れたセラミック接着剤によって接合される。

燃料ガスケース４７ａの上壁には前後方向（図５に於いて左右方向）に間隔を於いて左右方向（図５に於いて紙面に垂直方向）に延びる複数個のスリット（図示せず）が形成されており、電極支持基板６３の各々に形成されている燃料ガス通路６８がスリットを介して燃料ガスケース４７ａの燃料ガス室４８の改質ガス流路５０に連通している。

前記インターコネクタ６７は電極支持基板６３の片面（図６に於いて電極支持基板６３の上面）上に配設されている。

燃料極層６４は電極支持基板６３の他面（図６に於いて電極支持基板６３の下面）及び両側面に配設されており、その両端はインターコネクタ６７の両端に接合せしめられている。

固体電解質層６５は燃料極層６４の全体を覆うように配設され、その両端はインターコネクタ６７の両端に接合せしめられている。

酸素極層６６は、固体電解質層６５の主部に接し、即ち、図６に於いて固体電解質層６５の下面に接して配置され、電極支持基板６３を挟んでインターコネクタ６７に対向するように配置されている。

セルスタック１３ａにおける隣接する燃料電池セル６２間には集電部材６９が配設されており、一方の燃料電池セル６２のインターコネクタ６７と他方の隣接する燃料電池セル６２の酸素極層６６とを接続している。

セルスタック１３ａの両端、即ち、図６に於いて上端及び下端に位置する燃料電池セル６２の片面及び他面にも集電部材６９が配設されている。セルスタック１３ａの両端に位置する集電部材６９，６９には電力取出手段（図示せず）が接続されており、かかる電力取出手段は図２に示すハウジング２の前断熱壁７、後断熱壁８、又は図１に示す下断熱壁４を通してハウジング２外に延在せしめられている。尚、他のセルスタック１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄについても同様に構成される。

図３を参照して更に説明を続けると、発電ユニット１５ａは、セルスタック１３ａの上方を前後方向に細長く延びる長方体形状（或いは円筒形状）であるのが好都合である予備改質触媒収納ケース７０ａを具備している。

予備改質触媒収納ケース７０ａは、燃料電池セル６２，６２…先端（図３に於いて上端）近傍のセルオフガス燃焼排気に晒される位置に配置されている。即ち、セルスタック１３ａ上端近傍に配置され、セルスタック１３ａ上端から流動した燃料ガス及び空気による燃焼排気に晒されるように配置されている。

予備改質触媒収納ケース７０ａの前面には燃料ガス送給管７１ａ（ガス導出手段）の上端が接続されている。

燃料ガス送給管７１ａは下方に延び、次いで湾曲して後方に延び、燃料ガス送給管７１ａの他端は前記燃料ガスケース４７ａの前面に接続されている。従って、前記予備改質触媒収納ケース７０ａは、燃料ガスケース４７ａの上流に配設されている。予備改質触媒収納ケース７０ａの後面には被改質ガス供給管７２ａ（ガス導入手段）の一端が接続されている。被改質ガス供給管７２ａは予備改質触媒収納ケース７０ａから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出している。

被改質ガス供給管７２ａは都市ガス等の炭化水素ガスで良い被改質ガス供給源７３に接続されており、被改質ガス供給管７２ａを介して予備改質触媒収納ケース７０ａに被改質ガスが供給される。予備改質触媒収納ケース７０ａ内には原料ガスを安定性の高いメタンへ改質するための適宜の予備改質触媒（図示せず）が収容されている。

図示の実施形態に於いては、予備改質触媒収納ケース７０ａは燃料ガス送給管７１ａを介して燃料ガスケース４７ａに接続され、これによって所要位置に保持されている。

改質ガスは予備改質触媒収納ケース７０ａから燃料ガス送給管７１ａを通して燃料ガスケース４７ａへと供給される。

発電ユニット１５ｃは前述した発電ユニット１５ａと実質上同一構成であり、発電ユニット１５ｂ及び１５ｄは、発電ユニット１５ａ及び１５ｃに対して前後方向が逆に配置されている。

従って予備改質触媒収納ケース７０ｂ及び７０ｄと燃料ガスケース４７ｂ及び４７ｄとを接続する燃料ガス送給管７１ｂ及び７１ｄが後側に配置され、被改質ガス供給管７２ｂ及び７２ｄが予備改質触媒収納ケース７０ｂ及び７０ｄから下方に延び、ハウジング２の下を通ってハウジング２外に延出し、被改質ガスを供給する被改質ガス供給源７３に接続されている。

而して、この被改質ガス供給源７３により、被改質ガスが被改質ガス供給管７２a，７２ｂ，７２ｃ及び７２ｄに所定圧力で供給されると、被改質ガスは被改質ガス供給管７２ａ，７２ｂ，７２ｃ及び７２ｄを介して予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄに供給され、予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄ内に於いて安定性の高いメタンへ改質された後に、燃料ガス送給管７１ａ，７１ｂ，７１ｃ及び７１ｄを通して燃料ガスケース４７ａ、４７ｂ、４７ｃ及び４７ｄ内に規定されている燃料ガス室４８，４８…に供給され、改質触媒収納部５２，５２…に於いて改質触媒収納部５２，５２…に収納される改質触媒５１，５１…によって更に水素リッチな燃料ガスに改質された後に、前記連通孔５３，５３…の耐熱性通気部材５４，５４…を通して改質ガス流路５０，５０…に入り、改質ガス流路５０，５０…からセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄに供給される。

セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄの各々に於いては、酸素極層６６の酸素極に於いて、
１／２Ｏ_２＋２ｅ⁻→Ｏ^２−（固体電解質）
の電極反応が生成され、燃料極層６４の燃料極に於いて、
Ｏ^２−（固体電解質）＋Ｈ_２→Ｈ_２Ｏ＋２ｅ⁻
の電極反応が生成されて発電される。

発電に使用されることなくセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄの燃料電池セル６２，６２…先端から上方に流動した燃料ガス及び空気は、発電・燃焼室９内に配設された点火手段（図示せず）の点火による継続的燃焼によって燃焼される。

周知の如く、セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄにおける発電、及び、燃料ガスと空気との燃焼に起因して発電・燃焼室９内は例えば８００℃程度の高温になる。

予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄは発電・燃焼室９内に配設され、前述した如く、セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄの燃料電池セル６２，６２…上端の近傍に位置せしめられており、高温の燃料電池セル６２，６２…によって加熱されると共に、燃焼炎によって直接的にも加熱され、かくして発電・燃焼室９内に生成される高温が被改質ガスの改質に効果的に利用される。

発電・燃焼室９内に生成された燃焼ガスは熱交換器２２に形成されている排出開口３０から排出路２５に流入し、ジグザグ状に延在する排出路２５を流動した後に二重筒体４３の外側筒部材４４と内側筒部材４５との間に規定されている排出路を通して排出される。

燃焼ガスが二重筒体４３における排出路を流動する際には、二重筒体４３における流入路を空気が流動し、燃焼ガスと空気との間で熱交換が行われる。

そして又、燃焼ガスが熱交換器２２の排出路２５をジグザグ状に流動せしめられる際には、空気が熱交換器２２の流入路２６をジグザグ状に燃焼ガスに対向するように流動せしめられる。かくして燃焼ガスと空気との間で効果的に熱交換されて空気が予熱される。

一方、空気は二重筒体４３の内側筒部材４５内に規定されている流入路を通して熱交換器２２の流入路２６に供給され、熱交換器２２を通過して予熱（加熱）された空気は、空気室１０に一旦貯留され、空気導入管１２を通って燃焼・発電室９のセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄ間に供給される。

この際、空気導入管１２，１２…は、セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄの燃料電池セル６２，６２…の上端の燃料ガス通路６８，６８…近傍で燃焼する燃焼ガス雰囲気中を通過する。従って、空気室１０の予熱空気はセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄ上部の燃焼領域で更に加熱され、高温に暖められた空気が燃料電池セル６２，６２…に供給される。

通常運転時は前記熱交換器２２で予熱された空気が空気室１０に導入され、この空気室１０から空気導入管１２，１２…を介して燃焼・発電室９へ空気が導入されるが、燃焼・発電室９の温度が想定以上に上昇した場合は、前記熱交換器２２を通らない低温ガス供給管１４を通ってきた低温の空気が空気室１０に導入され、熱交換器２２を通過して予熱された空気と混合されて、空気室１０の空気温度がある程度低下する。

斯くして、本発明の固体電解質形燃料電池組立体１は、空気を発電・燃焼室９、即ち、セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄ間に供給することにより、通常運転時より温度の低い空気がセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄ間に導入されるので、燃焼・発電室９、即ち燃料電池セル６２，６２…の過度に上昇した温度が低下し、発電・燃焼室９内の温度を適宜にコントロールできる。

又、空気室１０内の空気温度は、低温ガス供給管１４から供給された外気と、熱交換器２２を通過して予熱された空気とが混合されるため、室温ほど低温の空気ではないので、熱い燃料電池セル６２，６２…に供給しても、燃料電池セル６２，６２…のクラックや熱衝撃破壊を引き起こす等の不具合を避けることができ、固体電解質形燃料電池組立体１全体の機能劣化が抑えられ寿命を延ばすことができる。

更に、低温ガス供給管１４による低温ガスの供給を、空気導入管１２，１２…の開口部中央部に向けて供給し、更に、両側の熱交換器２２，２２から加熱された空気を空気導入管１２，１２…の開口部中央部に向けて供給することにより、最も加熱しやすい燃料電池セル６２，６２…のセル集合体中央部に空気導入管２２，２２…によって供給される空気を最も低温とでき、中央部から離れるに従って高い温度とすることができ、最適な冷却を行なうことができる。

又、従来の固体電解質型燃料電池組立体に於いては、発電量が少ないため比較的小型に作製され、定常運転時には熱自立し効果的に発電し、燃料ガス量を少なくして発電量を少なくした場合、発熱量が少なくなり、熱自立しなくなる傾向にあったが、本発明の前記固体電解質形燃料電池組立体１に於いては、断熱壁３，４，５，６，７，８によりハウジング２内に熱を有効に閉じ込め、定常運転時の高温の熱を蓄熱壁３１〜３６に吸収させ、部分負荷運転し発熱量が少なくなった場合に熱を放散させ、ハウジング２内の温度を有効に維持できる。

更に、前記固体電解質形燃料電池組立体１によれば、燃料ガスケース４７ａ内に改質触媒５１が配設されることにより、運転時に最大の熱源となる燃料電池セル６２のすぐ近傍に改質触媒５１が設置されることとなるため、改質に必要となる熱量を、非常に少ないロスで利用する事ができる。

更に又、前記セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄはガラス６１によってガスシールされているので、高温時に於けるガスシールが確実に行なえると共に、ガラスシール部近傍で改質による吸熱反応をさせる事で前記燃料電池セル６２の常用使用温度を低下させ、過昇温によるガラス軟化、ガスリークを防止できる。

そして、運転時は外部から熱を受けることで反応が進む水蒸気改質法を用いることにより、燃料ガスケース４７ａの改質部は温度低下が発生し、従来、改質ガス通路としてのみ機能していた燃料ガスケースの温度を従来よりも低下させることができるため、金属部材外表面で進行する酸化による劣化を抑制し、寿命を延長する事ができる。

又、前記燃料ガスケース４７ａは仕切板４９によって上下に仕切られ、上部が改質ガス流路５０となり、下部が改質触媒５１の収納部５２となるように構成されているので、各セルへの供給ガス組成を均一化することができると共に、仕切り板４９を介した改質触媒５１と改質ガスの熱交換により触媒層の温度分布を緩和できる。

従って、本発明の前記燃料ガスケース４７ａは仕切り板４９によって、全ガスを同一条件にそろえた上でセルへ供給することができる。

更に、前記固体電解質形燃料電池組立体１は、燃料ガス室４８を規定する燃料ガスケース４７ａの上流に予備改質を行なうための予備改質触媒を収納する予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄが配設されるので、この予備改質触媒によって高温の燃料ガス室４８内の改質触媒収納部５２へ安定性の高いメタンを供給することができ、熱分解性炭素析出を防止することができる。

又、予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄによるプレリフォームにより改質ガスが予熱されて、燃料ガス室４８内の改質触媒収納部５２の温度を更に上昇させることができるため、高転化率の改質ガスをセルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄへ供給できると共に、内部改質によるセル自体の温度低下を軽減できるため、更なる高効率発電が可能となる。

更に、前記予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄがセルオフガス燃焼排気に晒される位置に配置されているので、予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄは従来の燃焼部近傍に設置した上部改質器を兼用できると共に、予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄ内にて予備改質を行うと共に、改質ガスが７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄまでのガス流路で燃料電池セル６２からの輻射熱を受け更に予熱されて改質触媒収納部５２に供給され改質反応を行うため、より高転化率の改質ガスを燃料電池セル６２へ供給することができる。

これにより、内部改質によるセル自体の温度低下を軽減できるため、従来の上部改質器だけの場合に比べてより高効率発電を行う事ができる。

又、部分酸化による起動を行う場合、炭化水素と所定比の空気を混合した混合ガスを予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄ、燃料ガス室４８内の改質触媒収納部５２、セルスタック１３ａ，１３ｂ，１３ｃ及び１３ｄを介した後燃焼させることで、部分酸化反応の反応開始点が予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄになり、燃料ガスケース４７ａ，４７ｂ，４７ｃ及び４７ｄに於いて部分酸化反応が生じないので、セルスタック、ガラスシール部の劣化を低減できる。

尚、前記固体電解質形燃料電池組立体１に於いて、前記予備改質触媒収納ケース７０ａ，７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄを設けない構成であっても良く、然る時は、モジュール内に於ける改質部の占有するスペースが低減し、モジュールを小型化できるため、モジュール表面からの放熱量を減少することができ、結果として熱自立が容易となる。

図７は、他の実施形態の発電ユニット８１ａを示し、発電ユニット８１ａは、前記発電ユニット（図４に於いて１５ａ）の予備改質触媒収納ケース（図４に於いて７０ａ）に代えて、他の予備改質触媒収納ケース８２ａを設けたものであり、予備改質触媒収納ケース８２ａは、セルスタック１３ａの側部近傍に、且つ、燃料ガスケース４７ａの長手方向と平行に配置され、前記予備改質触媒収納ケース（図４に於いて７０ａ）と同様に両端が夫々燃料ガス送給管７１ａ（ガス導出手段）、被改質ガス供給管７２ａに接続され、予備改質触媒収納ケース８２ａ内には被改質ガスを安定性の高いメタンへ改質するための適宜の予備改質触媒（図示せず）が収容されている。

而して、被改質ガスが被改質ガス供給管７２ａを介して予備改質触媒収納ケース８２ａに供給され、予備改質触媒収納ケース８２ａ内に於いて安定性の高いメタンへ改質された後に、改質されたメタンガスが燃料ガス送給管７１ａを通して燃料ガスケース４７ａ内に供給される。

斯くして、前記発電ユニット８１ａは、予備改質触媒収納ケース８２ａがセルスタック１３ａの側部近傍に配置されるので、予備改質触媒収納ケース８２ａ内の予備改質触媒はセルスタック１３ａ側部近傍に於いて輻射熱を受け、予備改質を行うことができると共に、予備改質触媒収納ケース８２ａから排出される改質ガスが燃料ガスケース４７ａまでのガス流路でセルスタック１３ａからの輻射熱を受け更に予熱されて燃料ガスケース４７ａの改質触媒収納部５２に供給され改質反応が行われる為、より高転化率の改質ガスをセルスタック１３ａへ供給することができる。

従って、前述のように予備改質触媒収納ケース８２ａがセルオフガス燃焼排気に晒される位置、即ち、燃料電池セル６２の上端近傍に設置されない場合でも、予備改質触媒収納ケース８２ａをセルスタック１３ａの側部近傍に配置することで前記予備改質触媒収納ケース７０ａと同様の効果が期待できる。

これにより、内部改質によるセル自体の温度低下を軽減できるため、予備改質触媒収納ケース８２ａにより高効率発電を行う事ができる。

又、部分酸化による起動を行う場合、炭化水素と所定比の空気を混合した混合ガスを予備改質触媒収納ケース８２ａ、燃料ガスケース４７ａ、セルスタック１３ａを介した後燃焼させることでモジュールの昇温を開始するが、セルスタック１３ａ側部近傍に予備改質触媒収納ケース８２ａが設置されていれば、燃料ガスケース４７ａの改質部より先に予備改質触媒収納ケース８２ａが加熱されるため、部分酸化反応の反応開始点が予備改質触媒収納ケース８２ａ部になり、燃料ガスケース４７ａに於いて部分酸化反応も生じないので、セルスタック１３ａ、ガラスシール部の劣化を低減できる。

尚、他の発電ユニット１５ｂ〜１５ｄに於いても前記発電ユニット８１ａと同様な構成にすることができる。

又、前記予備改質触媒収納ケース８２ａは、セルスタック１３ａの側部近傍に、且つ、燃料ガスケース４７ａの長手方向と平行に配置されたが、セルスタック１３ａの側部近傍であって、且つ、燃料ガスケース４７ａの端部近傍に配置されても良い。然る時も同様な効果が期待できる。

更に、前記予備改質触媒収納ケース７０ａが配置される前記発電ユニット１５ａに、セルスタック１３ａの側部近傍に配置される前記予備改質触媒収納ケース８２ａを更に加えて設けて適宜配管接続しても良く、然る時は、より高転化率の改質ガスをセルスタック１３ａへ供給することができると共に、内部改質によるセル自体の温度低下を更に軽減できる。
又、発電ユニット８１ａの中心部の温度過剰による熱暴走を、予備改質触媒収納ケース７０ａ及び予備改質触媒収納ケース８２ａの改質による吸熱、及び、水気化熱によって防止することができる。

図８は、他の実施形態の発電ユニット９１ａを示し、発電ユニット９１ａは、前記発電ユニット（図３に於いて１５ａ）の予備改質触媒収納ケース（図３に於いて７０ａ）に代えて、他の予備改質触媒収納ケース９２ａを設けたものであり、予備改質触媒収納ケース９２ａは、前記セルスタック１３ａに沿って設けられ、一端（図８に於いて上端）がガス導入手段である被改質ガス供給管７２ａに接続され、他端（図８に於いて下端）部が１又は複数（図８に於いては１）の燃料ガスケース４７ａ端部と一体化され、且つ、連通させたものである。尚、他の発電ユニット（図３に於いて１５ｂ，１５ｃ及び１５ｄ）に於いても、前記予備改質触媒収納ケース（図３に於いて７０ｂ，７０ｃ及び７０ｄ）に代えて、前記予備改質触媒収納ケース９２ａと同様な予備改質触媒収納ケースが設けられる。

前記発電ユニット９１ａは、予備改質触媒収納ケース９２ａを前記セルスタック１３ａに沿って設け、即ち、発電中最も高温となる燃料電池セル６２近傍に予備改質触媒収納ケース９２ａを設置することで、被改質ガスを安定性の高いメタンへ改質できる。

又、予備改質触媒収納ケース９２ａを燃料ガスケース４７ａと一体化し、連通させることにより、配管の取り回しが無い簡便な構造とし製造コストを安くすることができる。

更に又、被改質ガス供給管７２ａが上方となるように予備改質触媒収納ケース９２ａを設置すれば、ガス供給系を上方から下方へのダウンフローとすることで、水供給時の気化不良を防止し炭素析出の虞が無い改質器構造とすることができる。

そして、上方から触媒を充填する構造とすることができるため、重力を利用して充填することにより触媒充填不良を未然に防ぐことができる。

又、縦置き型改質器とすれば、触媒充填をセルスタック製造工程の最後に行うことができるため、セルスタック１３ａのガラスシール工程などの高温酸化雰囲気に触媒を晒すことが無く、触媒寿命を長くすることができる。

更に又、モジュールの系外へ供給口を延出させることにより、触媒交換することも可能になる。

そして、部分酸化による起動時も燃焼部に近い触媒入口近傍から反応が開始されるため、触媒全体が高温の発熱反応に晒されることがなくなり触媒寿命を延長できる。

図９は、他の実施形態の発電ユニット１０１ａを示し、発電ユニット１０１ａは、前記発電ユニット（図４に於いて１５ａ）の予備改質触媒収納ケース（図４に於いて７０ａ）に代えて設けられる他の予備改質触媒収納ケース１０２ａであり、予備改質触媒収納ケース１０２ａは、セルスタック１３ａの側部近傍に、セルスタック１３ａに沿って設けられ、且つ、一端がガス導入手段である被改質ガス供給管７２ａに接続され、他端部が１又は複数（図に於いては１）の燃料ガスケース４７ａ側部と一体化され、連通せしめられたものである。尚、他の発電ユニット（図３に於いて１５ｂ，１５ｃ及び１５ｄ）に於いても、前記予備改質触媒収納ケース１０２ａと同様な予備改質触媒収納ケースが設けられる。

前記発電ユニット１０１ａは、前記発電ユニット９１ａと同様な効果が期待できると共に、前記発電ユニット８１ａと同様な効果も期待できるものである。従って、被改質ガスを安定性の高いメタンへ改質できると共に、それによってより高転化率の改質ガスをセルスタック１３ａへ供給することができ、且つ、内部改質によるセル自体の温度低下を更に軽減できる。

本発明の固体電解質形燃料電池組立体の好適実施形態を示す正面縦断面図である。 本発明の固体電解質形燃料電池組立体の好適実施形態を示す平面図である。 図１の固体電解質形燃料電池組立体に使用される発電ユニット集合体の斜視図である。 図１の固体電解質形燃料電池組立体に使用される発電ユニットの斜視図である。 図１の固体電解質形燃料電池組立体に使用される発電ユニットの一部側面縦断図である。 図１の固体電解質形燃料電池組立体に使用されるセルスタックの平面断面図である。 図１の固体電解質形燃料電池組立体に使用される他の実施形態の発電ユニットの斜視図である。 図１の固体電解質形燃料電池組立体に使用される他の実施形態の発電ユニットの一部側面縦断面図である。 図１の固体電解質形燃料電池組立体に使用される他の実施形態の発電ユニットの斜視図である。

符号の説明

１ 固体電解質形燃料電池組立体
２ ハウジング
１３ａ〜１３ｄ セルスタック
４７ａ〜４７ｄ 燃料ガスケース
４８ 燃料ガス室
４９ 仕切板
５０ 改質ガス流路
５１ 改質触媒
６１ ガラス
７０ａ〜７０ｄ，８２ａ,９２ａ，１０２ａ 予備改質触媒収納ケース

Claims (7)

1. ハウジング内に、燃料ガス通路を有する複数の固体電解質形燃料電池セルを電気的に接続したセルスタックと、該セルスタックの各燃料電池セルに燃料ガスを供給するべく該燃料電池セルを装着した燃料ガスケースと、該燃料ガスケースに付設されたガス導入手段とを有し、前記燃料ガスケース内の燃料ガスが前記燃料電池セルの燃料ガス通路に供給される固体電解質形燃料電池組立体に於いて、前記燃料ガスケース内に被改質ガスを燃料ガスに改質する改質触媒を配設してなるとともに、前記燃料ガスケースは、仕切板によって前記セルスタック側に形成される一室と他室とから成る二室に仕切られ、且つ、両室が前記仕切板に設けられた連通孔により一部連通するように形成され、前記セルスタック側の前記一室が改質ガス流路となり、前記他室が前記改質触媒の収納部となり、前記他室の一端側に前記被改質ガスを供給する前記ガス導入手段が設けられ、前記他室の他端側における前記仕切板に前記連通孔が設けられていることを特徴とする固体電解質形燃料電池組立体。
2. 上記燃料電池セルの上記燃料ガスケースへの装着部分がガラスによってガスシールされていることを特徴とする請求項１に記載の固体電解質形燃料電池組立体。
3. 上記燃料ガスケースは金属製燃料ガスケースであることを特徴とする請求項１又は２に記載の固体電解質形燃料電池組立体。
4. 上記ハウジング内に予備改質を行なうための予備改質触媒を収納する予備改質触媒収納ケースが配設されており、該予備改質触媒収納ケース内を通過した燃料ガスが上記燃料ガスケースに供給されるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の固体電解質形燃料電池組立体。
5. 上記予備改質触媒収納ケースが上記燃料電池セル先端近傍のセルオフガス燃焼排気に晒される位置に配置されていることを特徴とする請求項４記載の固体電解質形燃料電池組立体。
6. 上記予備改質触媒収納ケースが上記セルスタックの側部近傍に配置されていることを特徴とする請求項４又は５記載の固体電解質形燃料電池組立体。
7. 上記予備改質触媒収納ケースは、上記セルスタックに沿って設けられており、その一端にはガス導入手段が接続され、且つ、該予備改質触媒収納ケースの他端部が、１又は複数の上記燃料ガスケースと一体化され連通していることを特徴とする請求項４乃至６のうちいずれかに記載の固体電解質形燃料電池組立体。
   

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